JP4659270B2 - 風力発電設備 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力発電装置の電力変動を補償する装置に係り、特に電力変動補償用の電力貯蔵装置を2台設置した風力発電設備に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、風力発電設備の建設が各所で進み、自然エネルギーの有効利用に大きく貢献している。
ところで、この風力発電は、通常、電力系統に連系して使用されることが多いが、このとき、風車発電機特有の出力変動が問題になることがある。
【0003】
この出力変動は、風力や風向の変動に伴う比較的長周期の変動と、羽根の回転位相変化にに伴う比較的短周期の変動とがあり、いずれにしても好ましいものではなく、このことは、風車発電機の出力を電力系統に連系させず、単独で使用された場合も同じである。
【0004】
そこで、風車発電機の出力に、例えば二次電池などの電力貯蔵装置を設け、電力変動を補償する方法が従来から知られており、その例を、例えば平成10年3月10日発行の“平成10年電気学会全国大会講演論文集[7]”(7−310頁〜7−311頁)の開示にみることができる。
【0005】
そして、この講演論文集に記載の電力変動補償方法では、二次電池としてナトリウム硫黄電池(NAS電池)を用い、風車発電機の出力検出値を、高周波通過フィルタと低周波通過フィルタのそれぞれに入力し、電力の変動を長周期変動分と短周期変動分に分割し、それぞれに位相補償とゲイン計算を行い、電力貯蔵装置段を構成するNAS電池の充放電指令に加算することで、風車発電機の出力変動を補償するようになっている。
【0006】
また、従来技術では、例えば特開2000−217257の公報に開示されているように、複数台の風力発電機に複数台の電力貯蔵装置を設置した形で運用される例もある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、適正な電力変動の補償に配慮がされているとは言えず、補償内容の適切化に問題があった。
上記したように、従来技術では、風力発電設備の有効電力を長周期(低周波)変動分と短周期(高周波)変動分に分けて、それぞれ補償している。
しかし、この場合、中間の周波数でも補償ゲインが零にならない。
【0008】
このため、従来技術では、低周波分と高周波分それぞれの補償により、中間の周波数帯でも変動補償ゲインが高くなってしまい、本来、補償を要しない周波数領域まで補償が効いてしまうことになり、この結果、補償内容の適切化に問題が生じてしまうのである。
【0009】
また、従来技術では、複数台の風力発電機に複数台の電力貯蔵装置を設置した形で運用された場合について、構成の簡略化に配慮がされているとは言えなかった。
【0010】
本発明の目的は、風力発電装置に複数台の電力貯蔵装置を備えた場合での電力変動補償の適正化が容易に得られるようにした風力発電設備を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、風力発電機に少なくとも2台の電力貯蔵装置を並列に設置した風力発電設備において、前記2台の電力貯蔵装置の一方における制御用の電力値に、当該一方の電力貯蔵装置の電力応答を模擬した演算を施して、前記2台の電力貯蔵装置の他方における制御用の電力値として使用するようにして達成される。
このとき、前記電力応答を模擬した演算が、前記一方の電力貯蔵装置の電力応答に一致した応答特性をもつ低周波通過フィルタにより与えられるようにしてもよい。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による風力発電設備について、図示の実施の形態により詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態で、図において、風車発電機1の出力は、連系用のトランス3を介して電力系統6に接続されている。
また、この電力系統6には、同じく連系用のトランス3と各々の遮断器7a、7bを介して、電力貯蔵設備4a、4bが各々並列に接続してある。
【0013】
そして、これら電力貯蔵装置4a、4bは、夫々変換器(インバータ)2a、2bと二次電池5a、5bを備え、制御装置11a、11bにより変換器2a、2bが制御されることにより各二次電池5a、5bの充放電が制御され、電力系統6との間で有効電力の授受を行なうようになっている。
【0014】
システム制御装置16は、電力貯蔵設備4a、4bを制御し、風車発電機1による発電量の変動が抑制されるようにする働きをするもので、このため、まず電力検出器10aにより、電流検出器8aの検出値Iwと電圧検出器9aの検出値Vsから、風車発電機1が電力系統6に出力する電力Pw1を演算する。
【0015】
そして、この検出電力Pw1は、システム制御装置16内の低周波通過フィルタ12aと、電力貯蔵装置4a内の制御装置11aに並行に入力される。
低周波通過フィルタ12aの出力は、信号P1ref として、更にシステム制御装置16内の低周波通過フィルタ12bと電力貯蔵装置4a内の制御装置11aに入力される。
【0016】
低周波通過フィルタ12bの出力信号Pw2は、システム制御装置16内の低周波通過フィルタ12cと、電力貯蔵装置4bの制御装置11bに入力され、低周波通過フィルタ12cの出力信号P2ref は、電力貯蔵装置4b内制御装置11bに入力される。
【0017】
また、電力貯蔵装置4a内の制御装置11aには、電流検出器8bにより検出された変換器2aの出力電流Ic1と、電圧検出器9bにより検出された交流電圧Vc1とが入力され、電力貯蔵装置4b内の制御装置11bには、電流検出器8cにより検出された変換器2bの出力電流Ic2と、電圧検出器9cにより検出された交流電圧Vc2とが入力される。
【0018】
次に、図2は、制御装置11a、11bの詳細を示したもので、ここで、まず電力貯蔵装置4aに入出力する有効電力Pc1は、電流検出器8bの出力Ic1と、電圧検出器9bの出力Vc1から電力検出器10bにより演算され、加算器15aに入力される。
【0019】
そこで、加算器15aでは、式(1)に示すように、システム制御装置16aから入力される電力値Pw1と有効電力Pc1が加算され、演算結果Ps1が加減算器14aに出力される。
Ps1=Pc1+Pw1…… ……(1)
【0020】
次いで、加減算器14aは、低周波通過フィルタ12aの出力信号P1ref と充放電指令値P1bref、それに演算結果Ps1を入力し、式(2)に示すように、電力変動P1def を演算し、演算結果を有効電力調整器APRに入力する。
そして、有効電力調整器APRでは、この偏差P1def が零になるような電流指令値Id1ref を電流調整器13aに出力する。
【0021】
そこで、電流調整器13aは、この電流指令値Id1ref と変換器電流Ic1の有効分が一致するように、ゲートパルスGP1を変換器2aに出力するのである。
P1def =P1ref+P1bref−Ps1……(2)
【0022】
ここで、上記の式(1)に示したように、演算結果Ps1は、風車発電機1と電力貯蔵装置4aの合成電力であり、これを電力調整器APRのフィードバック値として使用している。
従って、電力調整器APRの電力指令値は、(P1ref+P1bref)となり、これは、風車発電機1と電力貯蔵装置4aの複合システムの出力電力指令値に相当する。
【0023】
このとき、P1bref は、二次電池5aに充電又は放電を行わせるときの充電・放電指令値であり、P1ref は、低周波通過フィルタ12aの出力であることから、風車発電機1aと電力貯蔵装置4aを複合システムとして見た場合の出力電力指令値は、(風車発電機出力電力の低周波成分)+(電池充放電量)となり、従って、電力貯蔵装置4aでは、風車発電機1の出力電力Pw1のうち、高周波成分が補償されることになる。
【0024】
次に、電力貯蔵装置4bに入出力する電力Pc2は、電流検出器8cの出力Ic2と電圧検出器9cの出力Vc2から、図2に示す制御装置11b内の電力検出器10cにより演算される。
そして、加算器15bで、システム制御装置16からの入力値Pw2と加算され、式(3)に示すように、演算結果Ps2となって加減算器14bの減算入力に供給される。
【0025】
Ps2=Pc2+Pw2……(3)
【0026】
ここで、この式(3)における入力値Pw2は、低周波通過フィルタ12bから出力されているので、この低周波通過フィルタ12bの応答特性を、電力貯蔵装置4aの電力応答に一致するように設定したとすると、この入力値Pw2は、電力貯蔵装置4aと風車発電機1を複合システムとして見た場合の出力電力値とみなすことができる。
【0027】
一方、加減算器14bは、低周波通過フィルタ12cの出力信号P2ref と充放電指令値P2bref、それに演算結果Ps2を入力し、式(4)に従ってP2def を演算し、この演算結果を偏差として有効電力調整器APRに入力する。
P2def =P2ref+P2bref−Ps2……(4)
【0028】
従って、有効電力調整器APRからは、偏差P2def が零になるような電流指令値Id2ref が発生され、これが電流調整器13bに出力されることになり、この結果、電流調整器13bは、この電流指令値Id2ref と変換器電流Ic2の有効分が一致するように、ゲートパルスGP2を変換器2bに出力することになる。
【0029】
ここで、式(4)のPs2は、式(3)に示したように、風車発電機1と電力貯蔵装置4a及び電力貯蔵装置4bの合成電力であり、これを、制御装置11bでは、電力調整器APRのフィードバック値として使用している。
従って、電力調整器APRの電力指令値(P2ref+P2bref)は、風車発電機1と電力貯蔵装置4a及び電力貯蔵装置4bの3種の設備からなる複合システムの出力電力指令値に相当する。
【0030】
また、式(4)のP2bref は、二次電池5bに充電又は放電を行わせるときの充電・放電指令値であり、P2ref は低周波通過フィルタ12cの出力であることから、風車発電機1と電力貯蔵装置4a及び電力貯蔵装置4bの3種の設備を複合システムとみなしたときの出力電力指令値は、(風車発電機1の出力電力)+(電力貯蔵装置4a出力電力)の合成電力の低周波成分に、電池充放電量を加算したものになる。
【0031】
こうして、電力調整器APRの演算結果である電流指令値Id2ref は、電流調整器13bに入力され、電流調整器13bは、電流指令値Id2ref と変換器電流Ic2の有効成分が一致するように、変換器2のゲートパルスGP2を出力する。
【0032】
このとき、低周波通過フィルタ12a、12cの夫々のカットオフ周波数fc(=1/時定数)の設定値fc1、fc2については、fc1>fc2とする必要があることは、いうまでもない。
【0033】
次に、図3は、上記実施形態における各設備の電力及び電力検出値の変化を示したものである。
ここで、まず、Pw1は、図1から明らかなように、風車発電機1の出力電力で、P1ref は、風車発電機1と電力貯蔵装置4aからなる複合システムが出力する電力の指令値に相当する。
【0034】
次に、Pw2は、上述したように、電力貯蔵装置4aと風車発電機1を複合システムとして見た場合の出力指令値P1ref に基づいて出力している電力で、従って、この複合システムから出力される電力Ps1に等しくなる。
【0035】
また、P2ref は風車発電機1と電力貯蔵装置4a及び電力貯蔵装置4bの3設備からなる複合システムが出力する電力指令に相当し、Ps2は、風車発電機1と電力貯蔵装置4a及び電力貯蔵装置4bの3種の設備からなる複合システムが、指令値P2ref によって出力する電力を表わしている。
【0036】
そして、この図3から明らかなように、上記実施形態の場合、電力貯蔵装置4aでは風車発電機1の電力Pw1の高周波成分が補償されてPw2となり、更に電力貯蔵装置4bでは、この電力Pw2が含む低周波成分が補償されるので、電力系統6に最終的に出力される電力Ps2は、図示のように、変動の少ない滑らかな値に制御されていることが判る。
【0037】
なお、以上の実施形態では、有効電力の場合について説明したが、無効電力に関しても同様である。
そして、この実施形態の場合、風車発電機1と電力貯蔵装置4aの複合システムの出力電力指令値P1ref を、低周波通過フィルタ12bを介して取り込み、これを2台目の電力貯蔵装置4bで必要とする指令値、すなわち風車発電機1と電力貯蔵装置4aからなる複合システムが出力する電力の指令値Pw2としている。
【0038】
そして、このとき、低周波通過フィルタ12bの応答特性を、電力貯蔵装置4aの電力応答に一致するように設定したとすると、上記したように、この入力値Pw2は、電力貯蔵装置4aと風車発電機1を複合システムとして見た場合の出力電力値とみなすことができる。
【0039】
これは、風車発電機1と電力貯蔵装置4aからなる複合システムの電力指令値に、電力貯蔵装置4aの電力制御遅れを模擬した演算を施したことに相当し、2台目の電力貯蔵装置4bについては、この電力指令値を入力するだけで、変動抑制しようとする対象の電力が推定できることになる。
【0040】
従って、この実施形態によれば、2台目の電力貯蔵装置4bについては、電流検出器8aと電圧検出器9a、それに電力検出器10aに相当する機器が省略でき、この結果、設備の構成が簡略化できる。
【0041】
また、この実施形態の場合、1台目の電力貯蔵装置4aでは、変動抑制の対象を風車発電機1とし、2台目の電力貯蔵装置4bでは、1台目の電力貯蔵装置4aと風車発電機1の複合システムの電力を変動抑制の対象となるように構成されている。
【0042】
従って、この実施形態によれば、電力貯蔵装置4aと電力貯蔵装置4bの間で補償周波数を異なる値に設定しても、中間周波数帯のゲインが高くなる虞れは全くなく、この結果、効果的、且つ適正に電力変動を抑制することができる。
【0043】
【発明の効果】
本発明によれば、一方の風車発電機と電力貯蔵装置の複合システムの出力電力指令値に、当該電力貯蔵装置の電力応答を模擬した演算を施すことにより、他方の電力貯蔵装置では、変動抑制しようとする対象の電力が電力指令値から推定でき、この結果、電流検出器と電圧検出器、それに電力検出器が省略できるので、設備の構成が簡略化できる。
【0044】
また、本発明によれば、一方の電力貯蔵装置では、変動抑制の対象を風車発電機とし、他方の電力貯蔵装置では、一方の電力貯蔵装置と風車発電機のそうほうからなる複合システムの電力を変動抑制の対象としているので、一方と他方の電力貯蔵装置で補償周波数を異なる値に設定しても、中間周波数帯のゲインが高くなる虞れがなく、従って、効果的、且つ適正に変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による風力発電設備の一実施形態を示すブロック構成図である。
【図2】本発明の一実施形態における制御装置の詳細ブロック図である。
【図3】本発明の一実施形態の動作を説明するための波形図である。
【符号の説明】
1 風車発電機
2a、2b 変換器(インバータ)
3 トランス(連係用)
4a、4b 電力貯蔵装置
5a、5b 二次電池
6 電力系統
7a、7b 遮断器
8a、8b、8c 電流検出器
9a、9b、9c 電圧検出器
10a、10b、10c 電力検出器
11a、11b 変換器制御装置
12a、12b、12c 低周波通過フィルタ(ローパスフィルタ:LPF)
13a、13b 電流調整器
14a、14b 加減算器
15a、15b 加算器
16 システム制御装置
APR 電力調整器
GP1、GP2 ゲートパルス
Pw1、Pw2、Ps1、Ps2、Pc1、Pc2 有効電力
P1ref、P2ref、P1bref、P2bref 電力指令値
Ic1、Ic2、Iw 電流検出値
Vs、Vc1、Vc2 電圧検出値
Id1ref、Id2ref 電流指令値
P1def、P2def 電力調整器入力

Claims (2)

  1. 風力発電機に少なくとも2台の電力貯蔵装置を並列に設置した風力発電設備において、
    前記2台の電力貯蔵装置の一方における制御用の電力値に、当該一方の電力貯蔵装置の電力応答を模擬した演算を施して、前記2台の電力貯蔵装置の他方における制御用の電力値として使用するように構成したことを特徴とする風力発電設備。
  2. 請求項1に記載の発明において、
    前記電力応答を模擬した演算が、前記一方の電力貯蔵装置の電力応答に一致した応答特性をもつ低周波通過フィルタにより与えられるように構成したことを特徴とする風力発電設備。
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